甲狀腺素信號(hào)通路調(diào)控自噬機(jī)制研究進(jìn)展

戴松松,劉 昉

(桂林醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)教研室,廣西 桂林 541199)

1 甲狀腺素概述

甲狀腺素由甲狀腺產(chǎn)生和分泌,參與調(diào)節(jié)人體幾乎所有組織器官的生長(zhǎng)發(fā)育和能量代謝,其主要包括兩種形式,即四碘甲狀腺原氨酸(Thyroxine,T4)和生物活性更強(qiáng)的三碘甲狀腺原氨酸(Triiodothyronine,T3)。甲狀腺主要產(chǎn)生和分泌的是T4,通過(guò)血液循環(huán),T4到達(dá)不同的組織器官。脫碘酶(Deiodinase,DIO)蛋白家族是將細(xì)胞內(nèi)T4轉(zhuǎn)化成T3的主要作用蛋白,是細(xì)胞獲得T3的主要途徑,其主要包括DIO1、DIO2和DIO3。然而,其在不同組織和細(xì)胞中的表達(dá)差異很大,這就導(dǎo)致不同細(xì)胞內(nèi)T3的水平是不同的:DIO1是一個(gè)膜蛋白,主要在肝臟、甲狀腺和腎臟中表達(dá),能將T4轉(zhuǎn)化為T3,使甲狀腺素發(fā)揮出最大活性;DIO2則表達(dá)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,負(fù)責(zé)將細(xì)胞內(nèi)的T3轉(zhuǎn)移到核內(nèi),發(fā)揮T3的基因作用;DIO3與前兩者相反,是一種使甲狀腺素失活的酶,通過(guò)將T4轉(zhuǎn)化成反T3(Reverse T3,rT3)或?qū)3轉(zhuǎn)化成T2,降低其生物活性[1]。

甲狀腺素在細(xì)胞內(nèi)主要通過(guò)兩個(gè)方面發(fā)揮作用。一方面,甲狀腺素既能通過(guò)與甲狀腺素核受體(Thyroid hormone nuclear receptors,TRs)和甲狀腺激素反應(yīng)元件(Thyroid hormone response element,TRE)結(jié)合,在轉(zhuǎn)錄水平影響下游基因的表達(dá),稱為甲狀腺素的基因功能。另一方面,與前述進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮作用不同,甲狀腺素還可以通過(guò)與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合,從而影響下游的細(xì)胞信號(hào)傳遞,或是與不同信號(hào)通路發(fā)生相互作用,稱為甲狀腺素的非基因功能[2]。

雖然甲狀腺素作用的分子機(jī)制尚未完全明確,但是不能否認(rèn)的是,甲狀腺素及其信號(hào)通路對(duì)細(xì)胞具有兩面性。在生理狀況下,甲狀腺素參與調(diào)控了包括細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育、炎癥發(fā)生、呼吸代謝等多種細(xì)胞生命活動(dòng),對(duì)維持細(xì)胞正常的活動(dòng)至關(guān)重要。若甲狀腺素及其信號(hào)通路出現(xiàn)異常,如出現(xiàn)甲狀腺功能亢進(jìn)等情況,則會(huì)對(duì)機(jī)體造成實(shí)質(zhì)性的損害。

2 自噬概述

自噬是一種在生物界高度保守的細(xì)胞生命活動(dòng),是有關(guān)細(xì)胞代謝及其內(nèi)容物降解的關(guān)鍵途徑。完整的自噬體是一個(gè)球狀的雙膜結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是自噬的起點(diǎn)。從半球狀開始,自噬體逐漸延長(zhǎng)和擴(kuò)大,在這個(gè)過(guò)程中自噬體會(huì)將要降解的蛋白和受損的器官等包裹在其中。隨后,自噬體會(huì)與溶酶體融合形成自噬溶酶體,將內(nèi)容物降解[3]。

自噬在細(xì)胞中發(fā)揮著重要作用。一方面,當(dāng)受到外部刺激(如饑餓、缺氧、氧化壓力等)而處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí),細(xì)胞內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤折疊的蛋白,同時(shí)細(xì)胞器會(huì)受損,失去應(yīng)有的功能。兩者的不斷累積將破壞細(xì)胞穩(wěn)態(tài),使機(jī)體情況惡化,最終發(fā)展成不同形式的疾病。而自噬能產(chǎn)生自噬體,將錯(cuò)誤折疊蛋白和受損器官包裹在其中,然后轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體中降解分解,減輕細(xì)胞壓力[4]。另一方面,當(dāng)細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)時(shí),自噬能分解大分子物質(zhì),生成氨基酸、脂肪酸等代謝底物,從而維持細(xì)胞的能量供應(yīng)[5]。因此,維持自噬在一定的水平有助于細(xì)胞進(jìn)行正常的生理活動(dòng)。

隨著對(duì)自噬的研究逐漸深入,研究人員發(fā)現(xiàn)自噬在治療領(lǐng)域具有巨大的潛力,自噬在腫瘤和多種系統(tǒng)性疾病等方面的研究上取得了較大的突破和進(jìn)展。然而,在甲狀腺素信號(hào)通路的研究當(dāng)中,雖然近年來(lái)有越來(lái)越多的關(guān)于自噬機(jī)制與甲狀腺素信號(hào)通路關(guān)系的研究出現(xiàn),但是由于二者都有對(duì)細(xì)胞和機(jī)體復(fù)雜的兩面作用,我們難以得出兩者確切的作用關(guān)系。因此,本文總結(jié)了近年來(lái)有關(guān)自噬與甲狀腺素信號(hào)通路相互作用的研究,旨在明確兩者的關(guān)系,為后續(xù)更深入的研究提供理論依據(jù)。

3 甲狀腺素信號(hào)通路在調(diào)控自噬機(jī)制中的作用

3.1 肝 臟 非酒精性脂肪性肝病是一類代謝相關(guān)的脂肪性肝病,可分為單純性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎及其相關(guān)肝硬化。通常情況下,患者無(wú)長(zhǎng)期、過(guò)量的飲酒史但在病理上出現(xiàn)5%以上肝臟細(xì)胞發(fā)生纖維化的病理特征[6-7]。據(jù)估算,其在全球成年人中發(fā)病率高達(dá)25%[8],給患者及其國(guó)家醫(yī)療系統(tǒng)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。自噬機(jī)制參與了非酒精性脂肪肝的發(fā)展過(guò)程。在非酒精性脂肪肝細(xì)胞中,微管相關(guān)蛋白1輕鏈3Ⅱ(LC3Ⅱ)和選擇性自噬接頭蛋白1(SQSTM1)的蛋白表達(dá)水平同時(shí)增多,細(xì)胞自噬流受到明顯抑制,這在一定程度上助長(zhǎng)了后續(xù)肝臟的炎癥和纖維化等病理過(guò)程。然而,甲狀腺素或許能減緩上述的過(guò)程。研究[9]表明,長(zhǎng)期的甲狀腺素的刺激能激活肝臟細(xì)胞的自噬,改變非酒精性酒精肝臟細(xì)胞的脂質(zhì)代謝譜,促進(jìn)線粒體的脂質(zhì)β-氧化功能,降低脂質(zhì)代謝堆積的毒性代謝產(chǎn)物,降低脂質(zhì)毒性,減少炎癥的發(fā)生。不僅如此,有關(guān)肝癌的研究也向我們揭示了甲狀腺素在選擇性自噬方面中的作用機(jī)制。研究[10]表明,甲狀腺素能通過(guò)TRs和轉(zhuǎn)錄因子死亡相關(guān)蛋白激酶2(DAPK2)的相互作用激活肝癌細(xì)胞中的自噬,進(jìn)而抑制了腫瘤的惡化,而這種自噬是依賴自噬相關(guān)蛋白7(ATG7)發(fā)揮作用的。

3.2 心 臟 相對(duì)而言,心臟組織對(duì)甲狀腺素的變化是比較敏感的,無(wú)論甲亢還是甲減,無(wú)論是明顯的還是亞臨床的都會(huì)影響心臟的功能。一方面,甲狀腺亢進(jìn)會(huì)導(dǎo)致心動(dòng)過(guò)速、心搏出量增多、心肌纖維化和病理性肥大。另一方面,甲狀腺減弱則會(huì)導(dǎo)致相反的效果,長(zhǎng)期甲減會(huì)導(dǎo)致心動(dòng)過(guò)緩、心搏出量減少等,并最終導(dǎo)致心臟萎縮[11-12]。此外,在慢性心力衰竭患者中往往并發(fā)不同程度的甲狀腺功能減退,對(duì)甲減的治療也在一定程度上減緩心力衰竭的程度[13]。我們課題組過(guò)去的研究也證明了類似的效果。同時(shí),我們的研究結(jié)果還表明這些病理狀態(tài)與自噬或線粒體自噬被過(guò)度激活有關(guān)。我們通過(guò)miR-762或過(guò)表達(dá)線粒體融合蛋白1(Mfn1)抑制自噬,促進(jìn)線粒體融合后,發(fā)現(xiàn)能明顯減緩甲狀腺亢進(jìn)引起的心肌肥大等病理效果[14]。這提示我們自噬機(jī)制具有治療病理性心肌肥大的潛力,值得更進(jìn)一步的研究。

3.3 脂肪組織 它是一種動(dòng)態(tài)的組織,其分布、大小和細(xì)胞組成等會(huì)隨著生理和病理狀態(tài)的變化而發(fā)生改變。在生理情況下,其主要分布在人體皮下、腹腔、心臟和血管周圍,起到產(chǎn)熱、儲(chǔ)能和分泌激素和脂肪因子的作用[15]。脂肪組織可以分為白色脂肪組織、棕色脂肪組織和淺褐色脂肪組織,其中發(fā)揮產(chǎn)熱功能的主要是棕色脂肪組織。最近有研究表明,T3還能通過(guò)與甲狀腺素受體α的mRNA結(jié)合促進(jìn)脂肪細(xì)胞祖細(xì)胞增殖,這部分脂肪細(xì)胞祖細(xì)胞最后分化成棕色脂肪細(xì)胞,促進(jìn)脂肪組織的產(chǎn)熱和增生,提高機(jī)體對(duì)外界低溫的應(yīng)對(duì)能力[16]。盡管在機(jī)制上與寒冷刺激不同,但研究表明適量的甲狀腺素能激活棕色脂肪組織,提高細(xì)胞的代謝水平,在刺激生成更多線粒體的同時(shí)還抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的表達(dá),促進(jìn)自噬相關(guān)蛋白5(Atg5)依賴的線粒體自噬,清除功能紊亂的線粒體,減輕細(xì)胞的氧化壓力[17]。

3.4 骨骼肌 這是人體中最大組織之一。人體大約含有600塊骨骼肌,貢獻(xiàn)了大約40%的體重。骨骼肌的主要功能是通過(guò)肌纖維收縮維持身體姿勢(shì)或帶動(dòng)身體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),同時(shí)還兼具調(diào)節(jié)身體能量的作用[18]。由此可以預(yù)見,作為“能量工廠”的線粒體在骨骼肌細(xì)胞中的地位十分重要,維持線粒體的健康和數(shù)量有利于骨骼肌和全身的健康[19-20]。在過(guò)去的研究[21-23]中,適當(dāng)?shù)募谞钕偎睾妥允啥挤謩e被證明對(duì)維持骨骼肌的線粒體健康有積極的作用,但兩者的相互關(guān)系并不明確。Lesmana等[24]的研究填補(bǔ)了這個(gè)領(lǐng)域的空白:甲狀腺素激活的自噬能增強(qiáng)肌肉組織整體的代謝水平,使骨骼肌生成ATP和消耗氧氣的量提高,還能使細(xì)胞生成更多的線粒體。在分子機(jī)制上,甲狀腺素這一系列的作用是通過(guò)Unc-51樣激酶1(ULK1)-腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)-mTOR通路實(shí)現(xiàn)的,甲狀腺素不僅在蛋白質(zhì)水平上影響LC3、SQSTM1等自噬標(biāo)記蛋白的表達(dá),還在轉(zhuǎn)錄水平上提高這些蛋白的mRNA水平。

3.5 骨形成 人的骨細(xì)胞主要包括骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞四種主要的細(xì)胞類型,前三者由間質(zhì)干細(xì)胞分化形成,而破骨細(xì)胞則來(lái)自于造血干細(xì)胞。破骨細(xì)胞將舊的骨基質(zhì)消化重吸收,成骨細(xì)胞形成骨架并發(fā)育為骨細(xì)胞,組成骨單位。正常的骨發(fā)育和損傷后修復(fù)是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活動(dòng)達(dá)到相對(duì)平衡的結(jié)果,而這種動(dòng)態(tài)平衡受到甲狀腺素的調(diào)控。一方面,在骨的生長(zhǎng)成熟階段,甲狀腺素能促進(jìn)軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞增殖和分化,加速軟骨礦物堆積,使軟骨提早鈣化。盡管如此,臨床的數(shù)據(jù)卻指出血清游離甲狀腺素(FT4)水平更高的兒童骨密度反而更少[25]。另一方面,成年人需要有平衡的骨吸收和骨形成水平才能維持骨的正常功能,這些功能一定程度上依賴正常甲狀腺素水平發(fā)揮作用。當(dāng)血清中甲狀腺素降低以后,骨組織的自噬水平降低,骨生成減少,導(dǎo)致骨密度降低[26]。然而在甲狀腺功能亢進(jìn)的情況下,成骨細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)/Smad信號(hào)通路被激活,加速了成骨細(xì)胞的分化成熟,骨轉(zhuǎn)化作用明顯,因而導(dǎo)致嚴(yán)重的骨小梁丟失[27]。由此可見,維持正常的甲狀腺素水平對(duì)維持骨密度有十分重要的意義。

3.6 宮腔粘連 這是宮腔內(nèi)窺鏡術(shù)后常見的并發(fā)癥之一。在受到外界的刺激后,子宮內(nèi)壁發(fā)生粘連導(dǎo)致宮腔狹窄,導(dǎo)致宮腔積血和嚴(yán)重的盆腔疼痛,嚴(yán)重的情況下子宮內(nèi)膜會(huì)消失并且出現(xiàn)結(jié)締組織。宮腔粘連的治療一直都是臨床上的難點(diǎn),即使使用宮腔鏡開展宮腔粘連分離術(shù),術(shù)后也存在較高的復(fù)發(fā)率,因此闡明其分子機(jī)制是治療宮腔粘連領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。Zhou等[28]在發(fā)生宮腔內(nèi)膜粘連的患者身上發(fā)現(xiàn),雖然血清中促甲狀腺素(TSH)、血清游離三碘甲狀腺原氨酸(FT3)和FT4沒有明顯的變化,但子宮內(nèi)膜中DIO2的表達(dá)明顯降低,這阻礙了細(xì)胞內(nèi)T4向T3轉(zhuǎn)化,甲狀腺素信號(hào)通路下游作用被削弱,隨之而來(lái)的是甲狀腺素對(duì)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)/mTOR通路的調(diào)控減弱,抑制了細(xì)胞的自噬,助長(zhǎng)了上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化,加重了子宮內(nèi)膜的纖維化,最終導(dǎo)致不孕不育。

3.7 神經(jīng)系統(tǒng) 適當(dāng)?shù)募谞钕偎睾妥允伤綄?duì)維持神經(jīng)細(xì)胞正常的生理功能和損傷后細(xì)胞恢復(fù)起到十分重要的作用。個(gè)體發(fā)育過(guò)程中缺少甲狀腺素會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙,這是因?yàn)榧诇p會(huì)抑制海馬細(xì)胞ULK1和mTOR的磷酸化,提高細(xì)胞的自噬水平,同時(shí)還伴隨著細(xì)胞內(nèi)白細(xì)胞介素-1α(IL-1α)和IL-1β,細(xì)胞出現(xiàn)凋亡。同時(shí),王松海等[29]研究也表明帕金森的病程進(jìn)展與過(guò)高的自噬水平相關(guān)聯(lián)。而研究還表明甲狀腺素在外傷性腦損傷后修復(fù)的過(guò)程中發(fā)揮著作用,其一是促進(jìn)PINK1表達(dá),引起線粒體自噬,清除外傷性腦損傷導(dǎo)致的損傷的線粒體,減少由此產(chǎn)生的氧化壓力;其次,雖然具體機(jī)制有待深入研究,但T3能通過(guò)促進(jìn)神經(jīng)元和神經(jīng)干細(xì)胞之間的串?dāng)_,促進(jìn)外傷性腦損傷后神經(jīng)元再生,并且這種再生目前看來(lái)是需要線粒體自噬參與的。

3.8 聽力系統(tǒng) 毛細(xì)胞在哺乳動(dòng)物聽覺形成當(dāng)中發(fā)揮著重要的作用,位于耳蝸內(nèi),負(fù)責(zé)將外界的聲音刺激轉(zhuǎn)化成電信號(hào),并通過(guò)聽覺神經(jīng)傳導(dǎo)至中樞。對(duì)毛細(xì)胞的研究是了解聽覺的重要一環(huán),也是聽覺損傷治療中不可或缺的地方。早在1996年,Brucker-Davis等[30]就發(fā)現(xiàn)TRβ表達(dá)異常與聽力系統(tǒng)損傷有關(guān)聯(lián)。同年,Forrest 等[31]發(fā)現(xiàn)TRβ是在機(jī)體發(fā)育過(guò)程影響聽力的。最近,Affortit等[32]研究發(fā)現(xiàn),TRα變異的小鼠除了毛細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育出現(xiàn)異常外,螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞內(nèi)還出現(xiàn)了明顯的自噬泡,這種現(xiàn)象伴隨著細(xì)胞內(nèi)抗氧化的過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶2(SOD2)減少,表明在甲狀腺素信號(hào)通路有所缺失的條件下,螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞面臨的氧化壓力增多,細(xì)胞會(huì)通過(guò)自噬緩解一部分由此產(chǎn)生的壓力。

4 結(jié) 語(yǔ)

甲狀腺素信號(hào)通路與自噬機(jī)制有十分緊密的聯(lián)系,且都對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育和維持生理功能起到重要作用。但不同的是,它們?cè)诓煌?xì)胞或疾病中作用相去甚遠(yuǎn),同時(shí)兩者對(duì)機(jī)體具有兩面性,既有有利的一面,也會(huì)出現(xiàn)損害細(xì)胞的情況,錯(cuò)綜復(fù)雜,這讓明確兩者的關(guān)系變得十分困難。因此,在甲狀腺素信號(hào)通路與自噬機(jī)制的相互作用方面有待更深入和細(xì)致的研究。